Долой провода: для чего можно использовать беспроводные интерфейсы и какие они бывают

Передавать данные

Первым массовым пользовательским гаджетом после радио, использующим метод беспроводной передачи данных, можно считать пульт дистанционного управления телевизором, появившийся в 1956 году в США. Девайс под названием Space Command передавал команды в виде ультразвуковых импульсов. А спустя примерно 20 лет появился и первый цветной телевизор со ставшим привычным для нас инфракрасным пультом.

Принцип работы по современным меркам максимально прост: вы нажимаете кнопку на пульте, направив его в сторону телевизора, и пульт передает ему команду, приемник в телевизоре принимает ее и отдает плате управления данные для выполнения поставленной задачи.

Интересно, что и в ранних сотовых телефонах применялась эта же инфракрасная связь для передачи данных с телефона на телефон или ПК, только ИК-порты телефонов обладали возможностью и отправлять сигнал, и принимать его в отличие от пульта ДУ, который мог только отправлять. Скорость была совсем небольшая, поэтому одна композиция в формате MP3 (скачанная накануне ночью по диалап-соединению — именно ночью, ведь ночные тарифы были дешевле) с не самым большим битрейтом передавалась не одну минуту.

ИК-интерфейсы по-прежнему применяются в пользовательских устройствах, в частности, в смартфонах, для управления бытовой техникой, оборудованной соответствующими приемниками. Например, ИК‑передатчик далеко не самого свежего смартфона Samsung Galaxy S6 Edge (на фото; ИК‑передатчик — это маленькое темное окошко в центре верхней грани) обладает возможностью полного управления сотнями устройств десятков брендов

Еще ИК-излучение пытались использовать в беспроводных наушниках для передачи звука. Задержки передачи сигнала в таких наушниках нет, но, хотя подобные устройства можно купить до сих пор, широкого распространения они не получили. Причина проста: неудобство вызывала необходимость постоянно находится в зоне видимости передатчика ИК‑сигнала.

Постепенно в мобильные устройства и ПК пришел интерфейс Bluetooth, который продолжает развиваться и по сей день. Но нельзя сказать, чтобы у него не было конкурентов. Так, одна из технологий, которая проиграла Bluetooth в борьбе за место под солнцем, называется ZigBee. Можно сказать, что ZigBee просто немного опередила время. Ее главное преимущество — низкое электропотребление, что очень полезно в экосистемах интернета вещей (IoT), где данные, например, с комнатного термометра, запитанного от небольшой батарейки, не нужно считывать каждую секунду. Впрочем, по мере развития прожорливый поначалу Bluetooth стал менее требовательным к элементам питания и смог затмить ZigBee, который активно развивался с 2004 по 2007 год.

ZigBee, впрочем, используется и по сей день, но распространение имеет очень ограниченное: некоторые производители используют эту технологию в качестве основы для построения умного дома, причем устройства в нем способны работать и передавать данные несколько лет от одной батарейки, а сама сеть отличается высокой стабильностью работы и продвинутым уровнем защиты данных, передаваемых внутри нее. Для работы с такими сетями требуется дополнительное оборудование, что не только увеличивает финансовую нагрузку на потенциального владельца, но и требует определенных знаний для организации такой сети.

Еще один способ передать данные «по воздуху» — Wi‑Fi, но чтобы все получилось легко и просто, нужны особые технологии. В Android-устройствах такая технология называется Wi‑Fi Direct, у Apple — AirDrop (последнее на самом деле является сочетанием Bluetooth LowEnergy, или BLE, и Apple Wireless Direct Link, или AWDL, — аналога Wi‑Fi Direct). Эти технологии заслуживают отдельного материала, поэтому не будем на них останавливаться и пойдем дальше.

Подключать периферийные устройства

Подавляющее большинство беспроводных периферийных устройств поддерживают интерфейс Bluetooth. В первую очередь из-за того, что его характеристик достаточно для выполнения задач, не связанных с точностью и скоростью, — работы в браузере, с документами и решения иных простых с точки зрения манипуляторов задач. Его главное преимущество — относительно небольшое потребление энергии, которое позволяет периферийным устройствам — мышкам и клавиатурам в первую очередь — работать от одной зарядки несколько дней, недель или даже месяцев.

Другое дело, когда в любимой сетевой игре вы остались один на один с врагом в решающем раунде. Тут скорость реакции, скорее всего, будет решающим фактором. И тут-то возможностей Bluetooth оказывается недостаточно. Почему? Потому что частота опроса Bluetooth-манипуляторов ограничена значением 125 Гц, а радиоканал позволяет опрашивать порт с частотой 1000 Гц, уменьшая задержку передачи данных и, соответственно, снижая время от начала движения мышц пользователя до выполнения действия на экране.

Сравнение игровых беспроводных мышек Razer Basilisk X Hyperspeed (при использовании Bluetooth-подключения) и ASUS TUF Gaming M4 Wireless (радиоинтерфейс). Время отклика при Bluetooth-подключении составляет 8−10 мс, а при подключении по радиоканалу — около 1 мс (замеры автора)

Как видно по графикам выше, в ситуации, когда на счету каждая миллисекунда, Bluetooth проигрывает проприетарному радиоинтерфейсу. Именно из-за высоких требований к скорости реакции и точности позиционирования в игровых периферийных устройствах используется радиоканал (и USB-адаптер). В то же время многие Bluetooth-устройства поддерживают также подключение по радиоканалу, позволяя выбрать режим работы.

Передавать звук

С прослушиванием музыки со смартфона при помощи современных беспроводных наушников (TWS) ситуация неоднозначная: если вы используете сервисы потокового звучания, то подойдут любые наушники и смартфоны, совместимые между собой в плане версий Bluetooth. А вот если вы любитель высококачественного звучания (lossless), тогда придется сесть и разобраться в поддерживаемых с обеих сторон кодеках (здесь: методы преобразования медиаданных для более эффективной передачи от источника к устройству воспроизведения) — какой выбрать, чтобы при «перелете» от смартфона к наушникам звук не терял в качестве. Одним из самых распространенных на данный момент является кодек Qualcomm aptX HD, но используется он только в смартфонах на базе процессоров Qualcomm (да и то не всех). Еще существуют его младшие версии, а также разработки других производителей — LDAC от Sony, HWA LHDC от Huawei, UHQ-BT от Samsung. И стандартный SBC, который поддерживают все устройства.

Пока еще в карманах пользователей присутствует много устройств с Bluetooth 4.0 и 4.2. При использовании Bluetooth 4.0 даже MP3 не пролезают без потерь, но и второго варианта для высококачественной музыки не хватит: эти версии Bluetooth поддерживают скорость 305 и 780 Кбит/с, соответственно. Отчасти эта проблема решается при использовании Bluetooth 5 (можно добиться 990 Кбит/с), но зависимость от кодеков никуда не делась. К тому же искать недорогие TWS-наушники тоже рискованно: в них самих может резаться битрейт, иначе могут быть проблемы с соединением.

А вот некоторые игровые гарнитуры поддерживают радиоканал, что решает проблему задержки приема и передачи звука. Задержка передачи голоса интернет-звонка между Россией и Канадой составляет около 50 миллисекунд, а задержка между ноутбуком и Bluetooth-наушниками в четыре раза выше. Если вы попробуете посмотреть видео в таких наушниках, то заметите не критичную, но неприятную рассинхронизацию происходящего на экране и звука. В играх это недопустимо. Казалось бы, разница во времени совсем не существенная, но, услышав противника даже на мгновение раньше, вы можете успеть спрятаться в укрытие. Минус использования радиоканала — достаточно быстрый разряд аккумуляторов таких устройств.

Corsair Virtuoso RGB Wireless SE — продвинутая игровая беспроводная гарнитура, использующая канал 2,4 ГГц для передачи данных

Передавать и звук, и видео одновременно

Представьте, как удобно: вы приходите к друзьям, рассказываете о том, как провели отпуск, и тут же показываете им фото и видео, но не на маленьком экране смартфона, а на телевизоре, транслируя на него изображения прямо со смартфона по воздуху. Аналогичный сценарий можно реализовать и в офисе, когда с ноутбука или смартфона нужно транслировать презентацию на большой экран или проектор. Для этого в XXI веке было придумано несколько технологий, но не все из них прижились. Наиболее известные, но далеко не единственные — Intel Wireless Display (WiDi), Miracast, Google Cast и Apple AirPlay.

Первым покинула рынок WiDi, разработанная корпорацией Intel. Она работала в сетях Wi-Fi, постепенно развиваясь с 2010 года. В 2015 году, после выхода версии 6.0, компания Intel объявила о прекращении развития WiDi ввиду перспективности развития технологии Miracast, которая получила более широкое распространение благодаря поддержке в основных операционных системах. Miracast на сегодняшний день тоже находится в подвешенном состоянии, хотя и остается весьма распространенной. Причина тому — доминирование решений Google и Apple, которые лоббируют свои разработки. Технология Google Cast, благодаря интеграции в Android, стала очень массовой — на конец 2017 года насчитывалось 55 миллионов проданных устройств с ее поддержкой.

Существовала еще одна крайне интересная технология для передачи видеосигнала, и весьма серьезная, обеспечивающая возможность передавать изображение в высоком разрешением и с высокой частотой кадров, что дорогого стоит в прямом смысле этого слова. Речь идет о WHDI (Wireless Home Digital Interface). Задумка компании Amimon, одного из основных ее разработчиков, была в том, что любое устройство могло подключаться к любому дисплею беспроводным способом для трансляции на него изображения. В 2009 году была закончена работа над стандартом, получившим название WHDI 1.0. Он гарантирует передачу видеосигнала Full HD с частотой 60 кадров в секунду. Этого вполне достаточно для просмотра любого видеоконтента и даже игр!

Этим стандартом сразу же заинтересовалась компания Sharp, являющаяся крупным производителем в том числе телевизоров — инженеры интегрировали возможность получения такого видеосигнала их изделиями. Далее все больше и больше компаний стали использовать этот стандарт, а в 2011 году компания KFA2 выпустила первую в мире видеокарту с поддержкой WHDI — GeForce GTX 460 WHDI Edition.

Комплект поставки GeForce GTX 460 WHDI Edition включал собственно видеокарту с пятью антеннами вместо одного провода и, помимо прочего, ресивер (справа), позволявший подключать к видеокарте монитор, не имевшей встроенной поддержки WHDI. Источник: PC Perspective / YouTube

Но данное устройство ждала скверная судьба, так как его цена была слишком высока, а основные производители компьютерных мониторов не были готовы к использованию данной технологии. Таким образом первая видеокарта с возможностью передавать видеосигнал без провода стала последней.

Годом позднее данная технология стала частью киноиндустрии, когда компания Amimon представила систему Falcon для передачи видеосигнала в рамках съемочных площадок. C ее помощью стало можно транслировать видео с камеры на множество экранов, чтобы специалисты разных цехов могли наблюдать за происходящим в кадре и оперативно устранять недостатки — поврежденный реквизит и декорации, неправильный свет, необходимость в обновлении грима и многое другое.

С передачей аудиовидеосигнала вне узкоспециализированных направлений ситуация сегодня достаточно простая. На данный момент самой распространенной технологией является Google Cast: вам требуется два устройства, которые поддерживают данную технологию и подключены к одной Wi-Fi-сети. Пара нажатий в «шторке» смартфона, и вы уже транслируете изображение и звук на экран телевизора. Если вы используете старый телевизор, но с портом HDMI, Google предлагает специальную приставку, которая стоит совсем недорого и позволяет организовать прием трансляции со смартфона. У конкурента в лице Apple в арсенале технология AirPlay, принцип и качество работы которой идентичны Google Cast. Ограничение вызывает только тот факт, что не такое большое количество мониторов и телевизоров поддерживает эту технологию.

Заряжать устройства

Отказ от аудиоразъема позволяет упростить и удешевить устройства: отказываясь от одного 3,5-миллиметрового аудиоразъема, производитель уменьшает количество элементов на печатной плате смартфона, что ведет к ее удешевлению на этапе проектирования и в связи с исчезновением необходимости ставить аудиоусилитель как отдельный чип. С беспроводной зарядкой дело обстоит ровно наоборот: при ее появлении в устройстве как минимум добавляется определенное количество медной проволоки, размещенной под задней панелью смартфона, и контроллер, отвечающий за «общение» смартфона с соответствующим зарядным устройством.

Интересно, что хотя сама по себе интеграция стоит недорого, компания Apple тем не менее очень долго не добавляла функцию беспроводной зарядки в айфоны, аргументируя это разными причинами. Она сдалась только с выходом iPhone 8 (2017 год), хотя по слухам такой тип зарядки должен был появиться на год раньше — в iPhone 7 (возможно, на всех любителей продукции Apple не хватило медной проволоки). В то же время основной конкурент Apple оснастил беспроводной зарядкой свои смартфоны на два года раньше: в 2015 году смартфоны Samsung Galaxy S6 и Note 5 уже можно было заряжать, просто положив их на соответствующее устройство.

Серьезных недостатков у беспроводной зарядки немного. Главный — низкая мощность, а следовательно, скорость. На данный момент распространены две мощности беспроводных зарядок — это 7,5 Вт и 15 Вт. Первая по современным меркам является очень медленной, а вот вторая вполне себе способна за пару часов зарядить среднестатистический телефон.

Еще одно ограничение беспроводной зарядки — корпус гаджета со стороны катушки-приемника должен быть выполнен из пластика или стекла.

Наконец, не все гаджеты можно зарядить от самых распространенных устройств — поддерживающих стандарт Qi. Впрочем, существуют и универсальные зарядки — для нескольких типов гаджетов.

Беспроводная зарядная станция Anker 544 может одновременно заряжать несколько устройств. Источник: Anker

Несколько недель назад мы писали еще об одном интересном способе беспроводной зарядки устройств на расстояние до 30 метров — с использованием инфракрасных лазеров: вы просто входите в комнату, достаете смартфон, и он начинает заряжаться. Но пока это только эксперимент.

Вместо резюме

Главной идеей этой статьи было рассказать вам о том, на что способны актуальные массовые гаджеты. Но никак нельзя обойти стороной, пожалуй, самое требовательное к пропускной способности канала связи и действительно нуждающееся именно в беспроводном подключении устройство. Это — очки или шлемы дополненной или виртуальной реальности. Если вы хоть раз имели дело с такого рода устройствами, ну хотя бы минут тридцать, то понимаете, о чем идет речь. А для тех, кто не имел, поясню: надевая такие очки, вы без преувеличения переноситесь в виртуальный мир. И напомнить вам о том, что вы все еще на Земле, может только стена, в которую вы случайно врезаетесь, или… кабели, которые вы чувствуете постоянно. Досадное ограничение, которое портит все впечатление.

С технической точки зрения сложность отказа от передачи данным по проводам заключается в том, что нужно без задержки передавать на два экрана изображение в высоком разрешении и с высокой частотой кадров, да еще и про звук не забыть. Если что-то будет запаздывать, у пользователя начнутся головокружения и тошнота. Надо ли говорить, что даже не каждый провод может справиться с этой задачей, и уж тем более радиоканал, которому могут мешать помехи?

Тем не менее компания VIVE решила эту проблему и в 2022 году выпустила первый шлем под название Focus 3, полностью лишенный проводов.

VR-шлем и манипуляторы VIVE Focus 3. Источник: VIVE

Этот пример показывает: да, некоторые проблемы в мире беспроводных технологий присутствуют, и решить их достаточно сложно, но определенно можно. Чем и занимаются не только мировые лидеры — производители электроники, но и скромные компании, о которых многие из вас даже не слышали.